Цифровой корреляционный фазометр

 

(19) 01) СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСГ)УБЛИН

1(5п G 01 R 25/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:

1

I б

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ н aBTOPCtlOMV СЮЦВТИЛЬСТВУ (21 ) 3 367039/18-2 1 (22) 17.12.81 (46) 23.11.83. Вюл. Р 43 (72) В.П.Майко (71) Южное производственное объединение по морским геологоразведоч-. ным работам 10жморгеология (53) 621.317.77(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР, .9 576547, кл. Са 01 Й 25/00, 1973, 2. Авторское свидетельство СССР

9 759979, кл. 0 .01 Й 25/08 1977. (54)(57) 1..ЦИФРОВОЙ КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ

ФАЗОМЕТР, содержащий два формирователя, синтезатор частоты, один выход которого соединен с входом элемента совпадения, элемент задержки, о т л и ч а ю ц и и с я тем, что, с целью повышения точностй измерения разности фаэ, в него введены два смесителя, выходами соединенные с входами соответствующих формирователей, блок анализа и измеренйя времей ного сдвига и блок анализа максимума взаимно корреляционной- функции,- причем его первый вход соединен с вы-. ходом элемента совпадения, второй . вход - с входом элемента задержки и с вторым выходом синтезатора часто" ты, третий вход - с вторым входом блока анализа и измерения временного сдвига, четвертый - с выходом элемента задержки, соединенным с пер.вым входом блока анализа и измерения временного сдвига, третий вход которого соединен с выходом блока анали за максимума взаимно корреляционной функции, четвертый вход — с третьим выходом синтезатора частоты и с первым входом первого смесителя второй вход которого соединен с первым вхо" дом устройства, второй вход устройства соединен с вторым входом второго смесителя, первый вход которого соединен с выходом блока анализа и измерения временного сдвига, пятый вход которого соединен с первым выхоцом синтезатора частоты, выходы формирователей соединены .с соответствующими входами элемента совпадения.

2. Фаэометр по п. 1, о т л и— ч а ю шийся тем, что блок анализа максимума взаимно корреляционной функции содержит последовательно соединенные счетчик, блок сравнения весов кода, регистр, второй вход которого. соединен с выходом ключа, первый вход которого соединен с выходом счетчика, второй вход - с выходом блока сравнения весов кода и с треть-g им входом блока анализа максимума взаимно корреляционной функции, второй вход которого соединен с блоком сравнения весов кода, первый входпервым входом счетчика, четвертый— с вторым входом счетчика а выход—

Ф с выходом блока сравнения весов кода.

3. Фаэометр по п. 1, о т л и ч а ю ц и и с я тем, что блок анализа и измерения временного сдвига содержит последовательно соединенные счетчик, первый ключ, реверсивный счетчик и последовательно соединенные второй ключ, регистр памяти, блок индикации, вход второго ключа соединен с первым выходом счетчика, второй вход регистра памяти соединен с вторым выходом счетчика, третий вход регистра памяти соединен с третьим входом блока анализа и измерения временного сдвига, второй вход которого саединен с вторым входом второго ключа, первый вход — с входом счетчика, четвертый - с вторым входом первого ключа, пятый— с вторым входом реверсивного счетчика, выход которого соединен с выходом блока анализа и измерения временного сдвига.

1056077

Изобретение относится к радиоизмерению и предназначено для измерений разности фаэ в фазовом поль радионавигационных и радиогеодеэических систем.

Известен цифровой фаэометр содержащий усилители-ограничители, соединенные по выходам через последовательно соединенные формирователи, триггер, ключ с измерительным счетчиком, генератор счетных импуль" сов, подключенный к формирователю импульсных последовательностей, вы" ходы котброго подключены соответственно к вторым входам формирователей и ключа, реверсивный счетчик полных 15 углов, коммутатор, измерительный реверсивный счетчик, блок сравнения весов кода, линию задержки, второй ключ и второй триггер, причем импульсные выходы блока сравнения ве- щ сов кодов через коммутатор, подключенный к соответствующим информационным выходам измерительного реверсивного счетчика, подключены к ймпульсным входам указанного счетчика, выходы которого подключены .к входам реверсивного счетчика полных углов, выход второго ключа, соединенный через линию задержки с одним из входов: второго триггера,и выходы измеритель-1 ного счетчика подключены к соответствующим входам блока сравнения весов . кода, выход которого соединен также с коммутатором, другой вход второго триггера соединен с одним из входов измерительного счетчика, а выход зто-Ç5 го триггера подключен к одному из входов второго ключа fl) .

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения разности фаз, так как результат 4О конечного измерения может быть смещен относительно истинного значения вследствие высокого уровня помех.

Вторым существенным недостатком является отсутствие контроля за ка- 45 чеством фазовых измерений, вследствие чего в обработку могут поступить некорректные измерения разности фаз, что в общем случае снижает надежность проведенных измерений.

Известен цифровой фазометр, содержащий усилители-ограничители, формирователи импульсов, первый и вто-.

1 рой триггеры, первый и второй ключи, счетчик импульсов, формирова— тель импульсных последовательностей счетных импульсов со сдвигом 180 и 90О между ними., блок сравнения ве сов кода, два последовательно соединенных реверсивных счетчика, линию задержки, генератор счетных импуль- 60 сов, подключенный к входу формирователя импульсных последовательностей счетных импульсов со сдвигом 180 и 90 между ними, выходы которого соединены с входом первого ключа и первыми входами формирователей импульсов, вторые входы которых подключены к выходам усилителей-ограничителей, а выход одного иэ формирователей ймпульсов подключен к обнуляющему входу счетчика импульсов и установленному входу второго триггера, выход второго формирователя подсоединен к первому входу второго ключа, при этом оба формирователя импульсов соединены с входом первого триггера, выход которого через первый ключ подключен. к счетному входу счетчика импульсов, а информационные выходы счетчика импульсов и первого реверсивного счетчика поразрядно подключены к блоку сравнения весов кода, импульсные выходы которого через коммутатор, соединенный с информационными выходами первого реверсивного счетчика и счетчика импульсов, соединены с соответствующими импульсными входами первого реверсивного счетчика, а выход второго триггера подключен к второму входу второго ключа, выход которого через линию задержки подключен к установленному входу второго триггера, третий. триггер и третий ключ, причем первый вход третьего триггера соединен с выходом второго ключа, второй вход его — с выходом линии равенства блока сравнения весов кода, а третий — с выходом первого формировате" ля импульсов, при этом выход третьего триггера подключен к первому входу третьего ключа, второй вход которого подключен к формирователю импульсных последовательностей счетных импульсов со сдвигом 180 и 90 между ними, а выход - к имйульсному входу блока сравнения весов кода.

Последовательно соединенные генератор и формирователь импульсных последовательностей счетных импульсов со сдвигом 180 и 90 между ними представляют иэ себя синтезатор частоты.

Известный цифровой фазометр отличается быстродействием и следящим режимом измерений $2) .

Однако этот фаэометр используется при. радиоизмерениях, не сопровождающихся высоким уровнем помех. Кроме того, отсутствие контроля за качеством фазовых измерений существенно ухудшает надежность проведенных измерений. 0 фазовом сдвиге судят по положению лишь двух точек во времени, не используя того объема информации, который несут все остальные точки.

Этим объясняется малая точность и помехозащищенность измерений фазового сдвига и большая зависимость результата измерений от искажения входных сигналов.

Целью изобретения является повышение точности измерения разности

1056077 фаз ва счет использования информации о временном положении всех то" чек измеряемого сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой корреляционный фазометр, содержащий два формирователя, синтезатор частоты, один выход которого соединен с входом зле мента совпадения, элемент задержки, введены два смесителя, выходамн сое-, диненные со входами соответствующих 1О формирователей, блок анализа и измерения временного сдвига и блок анализа максимума взаимно корреляционной функции, причем его первый вход соединен с выходом элемента совпа- 15 дения, второй вход — с входом элемента задержки и с вторым выходом синтезатора частоты, третий вход - с вторым входом блока анализа и измерений временного сдвига, четвертый — gg с выходом элемента задержки, соединенным с первым входом блока анализа и измерения временного сдвига, третий вход которого соединен с выходом блока анализа максимума взаимно корреляционной функции, четвертый вход - с третьим выходом синтезатора частоты и с первым входом первого смесителя, второй вход которого соединен с первым входом устройства, второй вход устройства соединен с вторым входом второго смесителя, .первый вход которого соединен с выходом блока анализа и измерения временного сдвига, пятый вход которого соединен с первым выходом синтезатора частоты, выходы формирователей соединены с соответствующими входами элемента совпадения.

Кроме того, блок анализа максимума взаимно корреляционной функции 40 содержит последовательно соединенные счетчик, блок сравнения весов кода, регистр, второй вход которого соединен с выходом ключа, первый вход которого соединен с выходом счетчика, 45 второй вход — с выходом блока сравнения весов кода и с третьим входом блока анализа максимума взаимно корреляционной функции, второй вход которого соединен с блоком сравнения 5О весов кода, первый вход — с первым входом счетчика, четвертый — с вторым входом счетчика, а выход — с выходом блока сравнения весов кода.

Причем блок анализа и измерения временного сдвига содержит последовательно соединенные счетчик, первый ключ, реверсивный счетчик и последо- вательно соединенные второй ключ реУ гистр памяти, блок индикации, вход 6(. второго ключа соединен с первым выходом счетчика, второй вход регистра памяти соединен с вторым выходом счетчика, третий вход регистра памяти соединен с третьим входом блока анализа и измерения временного сдвига, второй вход которого соединен с вторым входом второго ключа, первый вход — с входом счетчика, четвертый - с вторым входом первого ключа, пятый — с вторыч входом ре версивного счетчика, выход которого соединен с выходом блока анализа н измерения временного сдвига.

На фиг. 1 изображена схема цифрового корреляционного фазометра; на фиг. 2 — диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит синтезатор 1 частоты, смесители 2 и 3 частоты, формирователи 4 и 5 прямоугольного сигнала, каждый из которых содержит избирательный фильтр и усилитель-ограничитель, элемент б совпадения, блок 7 анализа максимума взаимно корреляционной функции, содержащий в себе счетчик 8, блок 9 сравнения весов кода, регистр 10, ключ 11, блок 12 анализа и измерения временного сдвига, содержащий в себе реверсивный счетчик 13, первый ключ 14, ,счетчик. 15, второй ключ 16, регистр 17 памяти, блок 18 индикацИи и элемент 19 задержки.

Цифровой корреляционный фазометр работает следующим образом.

При наличии входных, подлежащих измерению сигналов на смесители 2 и 3 поступают сигналы вида

Ч с09(Ф1С-ЯРД и Чп coo(% 1. -с Д.

На вторые входы смесителей 2 и 3 поступают электрические сигналы с частотой % <, формируемые синтезатором 1 частоты, причем на вход смесителя 2 указанная частота поступает непосредственно, а на вход смесителя 3 — через реверсивный счетчик 13, который совместно с ключом 14 и счетчиком 15 выполняет функцию цифрового фазовращателя.

Таким образом, электрический сигнал, поступаемый на смеситель 3 от синтезатора 1, задержан по фазе относительно сигнала, поступаемого на смеситель 2 от синтезатора 1 частоты на величину q„, соответствующую числу записанному в счетчике 15.

На выходе формирователей 4 и 5 прямоугольного сигнала, состоящих из избирательного фильтра, настроенного на частоту(Ю,-®с,1= ц и усилителя-огранйчителя, формируют-. ся сигналы Ч „соьЦЧЧ,-Ф/с,)1 gq,— ср„ ) M

ЧмС05((Мi-Фс 1 (M2 Чс1 Як1 соответственно или Ч„,со5(а t.-с, +ту -, з

"x«>(о Ча+ Чс + +Чк) ь (p „-соде — фаза электрического сигнала синтезатора. Разность фаз сиг1056077 налов, подлежащих измерению, будет соответствовать значению(р -q, g k

Таким образом, если электрический сигнал, формируемый синтезатором 1 и поступающий на вход смесителя 3,. задержан на величину q относительно фазы электрического сигнала, поступаемого на аналогичный вход смесителя 2, то на выходе формирователей 4 и 5 прямоугольных сигналов будут присутствовать сигналы, фазы 1О которых равны. Следовательно, задача уравнивания фаз сводится к подбору необходимой величины фазовой задержки (fz по определенному критерию. В данном случае используется 15 критерий максимума корреляционной функции, для чего введен блок 7 анализа максимума взаимно корреляцион" ной функции.

Работа блока 7 анализа максимума .,взаимно корреляционной функции поясняется временной. диаграммой; приведенной на фиг. 2,а иб- сигналы, поступающие с выхода формировате- 25 лей 4 и 5 прямоугольных сигналов соответственно на входы элемента 6 совпадения.

На выходе элемента 6 совпадения (фиг. 2, b ) фомируются импульсные последовательности, длительность которых соответствует совпадающим частям положительных и отрицательных полуволн сигналов, Частота за- полнения импульсных последовательностей счетными импульсами Wg фор мируемая синтезатором 1, выбирается из условия Wq = W и (где М - основание системы единиц измерения, при измерении разности фаз в градусах 40

8 360, при измерении разности фаз

s сантициклах Й = 100) .

Счетные импульсы с выхода элемента 6 совпадения поступают на счетчик 8, где подсчитываются в течение времени анализа (фиг. 2,S ) . На фиг. 2,В и рассмотрены три случая накопления информации в течение времени Ео

В первом случае фаэовая задержка между сигналами иа выходе формирователей 4 и 5 прямоугольных импульсов в течение времени Вц соответствует

Чв (фиг. 2,а и а()

В течение времени Ва счетчик 8 им-55 пульсов подсчитает количество счетных импульсов, равное A (фиг. 2,Я) .

По окончании времени(а-, задавае( мого синтезатором 1 частоты, на импульсный вход блока 9 сравнения ве-- 6О сов кода поступает импульс, опраши.вающий Информационные выходы счетчика 8 и регистра 10. Если веса кода, а следовательно, и число импульсов, подсчитанное счетчиком 8, больше чгс-. ла, записанного в регистре 10, то на выходе блока 9 сравнения весов кода формируется импульс, который в свою очередь открывает ключ 11 переэаписывания

Если число импульсов, посчитанное счетчиком 8 за время 1,, меньше числа, записанного ранее в регистр 10, то перезапись содержимого счетчика 8 в регистр 10 не производится, так кас в этом случае на импульсном выходе блока 9 сравнения весов кода импульс не формируется. По окончании времени анализа f импульс, задержанный элементом 19 задержки, обнуляет счетчик 8, после чего в течение .следующего промежутка времени анализа 1д операция подсчета импульсов счетчиком 8 сравнения с кодом, записанным ранее в регистре 10, и перезапись числа со счетчика 8 в регистр 10 повторяются (в случае, если число записанное в счетчике 8 по окончании времени анализа больше числа, записанного ранее в регистре 10) . Элемент 19 задержки используется для обеспечения возможности первоначально провести сравнение весов кода счетчи ка 8 и регистра 10, а затем обнуле» ние счетчика 8.

Таким образом, блок 7 анализа максимума взаимно корреляционной функции позволяет в течение М интервалов времени анализа 1а определить максимум взаимно корреляционной функции, соответствующий максимальному числу импульсов в одном из интервалов анализа (ц, которое было подсчитано счетчиком 8 и перезаписано в регистр 10 эа время анализа, равное Н 1ц .

На фиг. 2,1 показаны три случая для различных разностей фаз входных сигналов. Как видно из временной диаграммы, наибольшее количество импульсов В, подсчитанное счетчиком 8 и потому перезаписанное в регистр 10, будет соответствовать условию, при котором разности фаз входных сигналов равны нулю. В течение следующего времени анализа )(-(о содержимое регистра 10 не изменится, так как в нем записано максимальное число из всех подсчитанных счетчиком 8.

Таким образом, максимум взаимно корреляционной функции найден. Анализ числа, записанного в регистре 10 и соответствующего максимуму взаимно корреляционной функции, однозначно показывает, с какими сигналами производятся фазовые измерения (скрытыми в шумах, высоким отношением сигнал/шум, отсутствием одного иэ сигналов, отсутствием обоих сигналов).

Число, записанное в регистре 10, и

1056077 окончании измерения, т.е. через время И 1ц, фиксируется посредством бло ка 18 индикации.

Анализ числа, соответствующего максимуму взаимно корреляционной функции, имеет большое значение для оценки надежности фазовых измерений.

Вторая задача состоит в том, чтобы определить, на каком порядковом номере, изменяющемся от 0 до )(време ни анализа tg определен максимум взаимно корреляционной функции. Число, соответствующее порядковому номеру времени анализа 1 », на котором определен максимум взаимно корреляционной функции, определяет величину фазовой задержки g, при которой раз ности фаз сигналов на выходе формирователей 4 и 5 прямоугольных сигналов равны нулю. Для определения порядкового номера времени анализа соответствующего максимуму взаимно корреляционной функции, введен блок 12 анализа и измерения временного сдвига, который работает следующим образом: по окончании каждого интервала времени анализа 1д счетчик 15 добавляет к числу, ранее в нем записанному одну единицу.

Ключ 14 открывается передним фронтом импульсной последовательности, следуемой,с частотой ЧЧс, и фазой формируемой синтезатором 1 частоты, перезаписывая информацию со счетчика 15 в реверсивный счетчик 13 на время, соответствунщее фазе ф » сигнала с частотой Фс, формируемой синтезатором 1 частоты.

Далее на вычитающий вход реверсивного счетчика 13 поступает импульсная последовательность с частотой, равной W»;» Н», формируемой синтеза . тором 1 частоты. Реверсивный счетчик 13, работающий на вычитание,считывает количество счетных импульсов К, равное числу К, записанному в счетчике 15, после чего при переходе через нуль формируется импульсная последовательность с частотой

+c»i поступающая на вход смесите ..": ля 3. Передний фронт импульсной последовательности, сформированной на выходе реверсивного счетчика 13 задержан на фазе относительно переднего фронта импульсной последовательности, следуемой с частотой hl» и фазой Щ, формируемой синтезато. ром 1 частоты на величину, соот5 ветствующую значению К в счетчике 15.

Условие разности Фаэ входных сигналов р< q»р, соответствует максимуму. взаимно корреляционной функции. Усло-. вие 9q -@» Чк и»у g > Чк не соответствует максймуму взаимно корреляционной: функции. Следовательно, на участке от 0 до Я интервалов времени

5 анализа 1д будет только один временной интервал, соответствующий максимуму взаимно корреляционной функции.

На фиг. 2,») показано поступление импульсов по окончании времени t»» на

10 счетчик 15. На фиг. 2 е показано на° ° p копление счетных импульсов счетчиком 15 на протяжении времени Т -N t»l .

Блок 9 сравнения весов кода при условии, что число, подсчитанное счетчиком 8 эа время анализа t, больше

15 числа в регистре 10, формируют на выходе импульс (фиг. 2,C), открывающий ключ 1б, перезаписывая, таким образом,. в регистр 17 памяти (Фиг. 2,1) содержимое счетчика 15.

20 Число, записанное в счетчике 15, в этом случае соответствует порядковым номерам интервала времени анализа »»», при которых определены высокие значения взаимно корреляционной функции.

Максимальное значение взаимно корреляционной функции будет одно на интервале времени Т= К-t . При подсчете )(импульсов на выходе счетника 15 формируется импульс переполнения (фиг. 2„U ), который разрешает передачу информации с регистра 17 памяти на блок 18 индикации. Блок 18 индика-. (ии регистрирует, таким образом, норядковый номер временного интервала анализа С»» (фиг. 2,k), соответствую" щий максимальному значению взаимно корреляционной функции, и число, за-. писанное в регистре 10 и соответствующее максимуму взаимно корреляционной функции.

40 Определенному таким образом порядковому номеру временного интервала анализа »» соответствует максимальное значение взаимно корреляционной функции и величина фазовой задержки qy, при которой выполняется условие ф - щ„= » „. Величина фазовой задержки » „, измеренная с помощью предлагаемого устройства, определяется с высокой. точностью при любом уровне помех, так как здесь используется информация о вСех точках сигнала.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности измерений при любом уровне пбмех и анализа полученной инфорМации за счет особого построения блока анализа максимума взаимно корреляционной функции блока анализа и измерения временного сдвига.

Ф

105б077

Составитель Н.Агеева

Редактор Н.Лазаренко Техред Л,Пилипенко Корректор Г.Решетник

Заказ 9294/37 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий ,113035, Москва, Ж-35, Раушская .наб., д. 4/5

Филиал IIIIII Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4